Strukturelle und funktionelle Prinzipien der Kaliummangel Signalweiterleitung und der Integration von Nährstoffmangel- und Adaptation in Arabidopsis

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Kudla; Professor Dr. Lutz Schmitt
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391703796

Effiziente Wahrnehmung und Aufnahme von Nährstoffen wie Kalium (K+), Nitrat (NO3-) und Ammonium sind überlebenswichtig für Pflanzen. In diesem Zusammenhang haben Pflanzen zahlreiche adaptive physiologische Antworten entwickelt, die durch die Wahrnehmung der vorherrschenden externen Nährstoffverfügbarkeit ausgelöst werden. Die molekularen Grundlagen dieser Wahrnehmung und die Adaptation an fluktuierende Nährstoffverfügbarkeiten sind bisher nur partiell verstanden. Essentiell für die Aufnahme von K+ ist der Ionenkanal AKT1, der durch CBL1/CIBL9-CIPK23 Komplexe Ca2+ abhängig aktiviert wird. Trotz der Wichtigkeit von K+ Wahrnehmung und Aufnahme ist der zugrundeliegende Mechanismus der pflanzlichen Antwort zu K+ limitierten Bedingungen und die dabei involvierte Ca2+ Signaltransduktion größtenteils ungeklärt. Der Nitrat Transporter NRT1.1 ist, ähnlich wie AKT1, auch von CBL1/9-CIPK23 reguliert und wurde zusätzlich auch als Nitrat-Sensor beschrieben (Transceptor). Zusätzlich reguliert CIPK23 weitere Ionenkanäle und Transporter. CIPK23 könnte so, als eine Art Nährstoff-wahrnehmende Kinase einen wichtigen zentralen Knotenpunkt für die Integration und Homöostase von Nährstoffen in Pflanzen bilden. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, die CIPK23 diese zentrale Rolle ermöglichen, sind allerdings auch für diesen Prozess ungeklärt. Vorläufige Daten der beteiligten Labore lassen folgendes Schlussfolgern: (a) AKT1 ist, oder ist Bestandteil des K+ Sensors in Arabidopsis. (b) AKT1 Transportaktivität und K+ Wahrnehmung ist auf die Phosphorylierung durch CBL-CIPK Komplexen angewiesen. (c) Neu-identifizierte akt1 Mutantenlinien ermöglichen eine getrennte Analyse von Wahrnehmungs- und Transportfunktion. Zusätzlich ermöglicht die Analyse von regulatorischen Mutationen in cis- und trans-Phosphorylierungsstellen in CIPK23 weitere Erkenntnisse bezüglich der Regulation des Prozesses. (d) Die pflanzliche Antwort auf geringe K+ Verfügbarkeit ist gekennzeichnet durch das Auftreten eines spezifischen Ca2+ Signals in Wurzeln. Basierend auf diesen Erkenntnissen zielt das vorliegende Projekt auf folgendes ab: (i) Beteiligte Komponenten der K+ Wahrnehmung zu Identifizieren und Charakterisieren. (ii) Die Strukturellen Grundlagen der K+ Wahrnehmung zu Entschlüsseln. (iii) Die funktionelle Regulierung von CIPK23 vermittelter Nährstoffwahrnehmung strukturell zu Ermitteln. (iv) Ein zusammenhängendes Bild über die adaptiven Prozesse und regulatorischen Prinzipien der Steuerung des Wurzelwachstums in Zusammenhang mit limitierender Nährstoffverfügbarkeit zu Erstellen. Die Kombinationen verfügbarer Mutanten, einschließlich der neu-identifizierten Linien, die K+ Wahrnehmung und Transport trennen, sowie zellbiologische Vorgehensweisen, soll die Aufklärung von molekularen Mechanismen und Strukturellen Prinzipien des pflanzlichen K+ Stoffwechsels Ermöglichen. Zusätzlich soll die Regulation und Integration mit weiteren pflanzlichen Nährstoffen analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yi Wang